回火后冷卻方式對(duì)調(diào)質(zhì)鋼棒殘余應(yīng)力及加工變形的影響*

冀 鸰， 朱云海， 胡紹鑫

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司特鋼研究院棒線材研究所， 江蘇 江陰 214400)

回火后冷卻方式對(duì)調(diào)質(zhì)鋼棒殘余應(yīng)力及加工變形的影響*

冀 鸰， 朱云海， 胡紹鑫

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司特鋼研究院棒線材研究所， 江蘇 江陰 214400)

針對(duì)調(diào)質(zhì)鋼棒材機(jī)加工后變形的問題，采用X射線衍射應(yīng)力檢測(cè)儀，分別檢測(cè)了42CrMo棒材調(diào)質(zhì)后在不同冷卻方式下的表面殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)回火或去應(yīng)力后水冷會(huì)在棒材表面形成較大的殘余壓應(yīng)力，從理論上分析了該類殘余應(yīng)力的形成機(jī)理，并結(jié)合破壞法驗(yàn)證了其對(duì)機(jī)加工變形的影響。

調(diào)質(zhì)； 變形； X射線； 殘余應(yīng)力

引 言

采用傳統(tǒng)箱式電爐加熱、淬火池淬火的方式生產(chǎn)調(diào)質(zhì)棒材時(shí)，會(huì)因?yàn)榧訜釙r(shí)的重力作用及淬火時(shí)冷卻速度不同造成棒材彎曲，因此在回火結(jié)束后，棒材必須進(jìn)行冷矯直或熱矯直以達(dá)到所需平直度。冷矯直后會(huì)因塑性變形造成殘余應(yīng)力，需進(jìn)行去應(yīng)力退火，如不去應(yīng)力或去應(yīng)力不充分，棒材很可能會(huì)在機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生變形。

江陰興澄特種鋼鐵有限公司(以下簡稱“興澄特鋼”)利用國內(nèi)領(lǐng)先的輥底式連續(xù)調(diào)質(zhì)爐，生產(chǎn)供國內(nèi)外油田、風(fēng)電、汽車等行業(yè)使用的各類調(diào)質(zhì)棒材。該連續(xù)爐采用天然氣加熱，管道式爐膛，斜輥傳動(dòng)，棒料在爐膛中逐支旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，出爐后直接進(jìn)入高壓水冷環(huán)進(jìn)行在線噴淋淬火，隨后進(jìn)入同樣的輥底式爐回火。與傳統(tǒng)箱式電爐相比，棒材的調(diào)質(zhì)過程具有加熱、冷卻均勻，處理后組織、性能穩(wěn)定，綜合性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，因此棒材在加熱及冷卻時(shí)不易產(chǎn)生變形，平直度高，可省去后續(xù)矯直工序，進(jìn)而避免產(chǎn)生矯直造成的殘余應(yīng)力。

但在前期市場開發(fā)過程中，有個(gè)別客戶在使用興澄特鋼的未經(jīng)冷矯直的調(diào)質(zhì)材進(jìn)行機(jī)加工，做成零件后，仍然出現(xiàn)了彎曲變形，導(dǎo)致零件報(bào)廢。這些零件均是軸向不對(duì)稱的復(fù)雜形狀零件，而在加工軸類、螺栓類零件時(shí)沒有出現(xiàn)類似狀況，因此棒材中可能存在冷卻速度過快導(dǎo)致的殘余熱應(yīng)力。

1 X射線試驗(yàn)原理

X射線法檢驗(yàn)應(yīng)力利用的是X射線在晶體表面的衍射原理。由于晶體中的粒子直徑與X射線的波長相當(dāng)，滿足光學(xué)中衍射所需的條件(光的波長和光柵的尺度同數(shù)量級(jí))，并且晶體中的原子是規(guī)則排列的，當(dāng)某一波長的X射線照射到多晶體樣品上并滿足布拉格方程式時(shí)便會(huì)產(chǎn)生衍射。如果鋼材內(nèi)存在宏觀殘余應(yīng)力，則晶粒晶面間距會(huì)發(fā)生變化，X射線衍射的位置也將發(fā)生位移，依照此變化即可求得晶面間距的變化，從而求得應(yīng)變，通過彈性力學(xué)理論即可求得殘余應(yīng)力[1]。但由于X射線僅能穿透30 μm級(jí)別厚度，因此只能測(cè)表面應(yīng)力。

具體檢測(cè)方法為：采用10% NaCl水溶液在棒材表面約1 cm2范圍內(nèi)進(jìn)行電解腐蝕，將表層氧化層腐蝕掉后，用X射線儀檢測(cè)其表面應(yīng)力狀態(tài)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如為正值，則為拉應(yīng)力，如為負(fù)值，則為壓應(yīng)力，每個(gè)點(diǎn)取3次檢驗(yàn)的平均值。隨后再電解掉一定深度的表皮金屬，再次檢測(cè)殘余應(yīng)力，這樣采用逐層剝離、逐層檢測(cè)的方法，得出距表面一定深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力分布。

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 回火試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)原料及方法

興澄特鋼采用連續(xù)調(diào)質(zhì)爐生產(chǎn)調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率并避免回火脆性，棒材回火結(jié)束出爐后一般用噴淋水冷卻，對(duì)于平直度要求較高的棒材，回火后也會(huì)采用壓力矯直機(jī)進(jìn)行矯直，隨后去應(yīng)力，去應(yīng)力后仍然采用噴淋水冷卻。

為了驗(yàn)證回火及去應(yīng)力后的冷卻工藝對(duì)調(diào)質(zhì)棒材殘余應(yīng)力的影響，在回火或去應(yīng)力后，將棒材采用不同冷卻方式冷卻到室溫進(jìn)行試驗(yàn)。在Φ160 mm規(guī)格的42CrMo調(diào)質(zhì)棒材上取200 mm長試樣五件，分別按表1的不同冷卻方式進(jìn)行處理后，采用PSP/MSF X射線應(yīng)力測(cè)試儀檢驗(yàn)每件試樣的殘余應(yīng)力。

表1 42CrMo調(diào)質(zhì)棒材回火及去應(yīng)力后冷卻方式

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為回火后采用不同冷卻方式的42CrMo棒材(表1中試樣1、2、3)距表面不同深度下的殘余應(yīng)力分布。從曲線可以看出，回火后空冷的棒材表面有-40～-147 MPa的殘余壓應(yīng)力；而回火后水冷至100 ℃、300 ℃的棒材，從表面至0.6 mm處，殘余壓應(yīng)力逐漸由-206 MPa增加到約-554 MPa，隨后不再明顯增加，可見回火后水冷會(huì)大大增加棒材表面殘余應(yīng)力。而且水冷至300 ℃與水冷至100 ℃的棒材表面殘余應(yīng)力值區(qū)別不大，說明大多數(shù)殘余應(yīng)力在300 ℃以上就已經(jīng)形成，先水冷后空冷的方式并不能有效減少棒材表面殘余應(yīng)力。

圖1 回火后冷卻方式對(duì)42CrMo調(diào)質(zhì)鋼表面殘余應(yīng)力的影響

2.2 去應(yīng)力試驗(yàn)

對(duì)于對(duì)平直度要求較高的棒材，回火后也需采用壓力矯直機(jī)進(jìn)行矯直，隨后進(jìn)行去應(yīng)力退火，以消除冷矯直時(shí)塑性變形導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。為了檢驗(yàn)去應(yīng)力退火后的冷卻工藝對(duì)棒材殘余應(yīng)力的影響，從以上調(diào)質(zhì)后水冷的棒材上取兩段棒料，在箱式電爐中分別模擬了510 ℃去應(yīng)力退火后空冷及水冷工藝(表1中試樣4、5)。X射線衍射測(cè)試顯示，空冷后棒材表面下1 mm處殘余壓應(yīng)力為-100 MPa，而水冷后殘余壓應(yīng)力達(dá)到-416.5 MPa，如圖2所示。因棒材是回火后水冷的，因此在去應(yīng)力處理之前，其表面有較大的殘余壓應(yīng)力，可見經(jīng)過510 ℃下保溫，殘余應(yīng)力可得到有效釋放，但如采用水冷方式，棒材表面會(huì)重新產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。

圖2 去應(yīng)力后冷卻方式對(duì)42CrMo調(diào)質(zhì)鋼表面殘余應(yīng)力的影響

2.3 破壞法試驗(yàn)

2.3.1 應(yīng)力分析

當(dāng)淬火棒材加熱到回火溫度保溫足夠長的時(shí)間后，原淬火馬氏體中析出碳化物，形成回火索氏體，因馬氏體膨脹導(dǎo)致的晶格畸變得以恢復(fù)；同時(shí)在高溫下材料屈服強(qiáng)度降低，也有利于淬火時(shí)形成的殘余應(yīng)力的釋放。這時(shí)可以假設(shè)棒材處于沒有殘余應(yīng)力的理想狀態(tài)，而且在隨后的冷卻過程中，不會(huì)有組織轉(zhuǎn)變，因此也不會(huì)產(chǎn)生新的組織應(yīng)力。當(dāng)棒材出爐冷卻時(shí)，表面冷卻速度大于心部冷卻速度，于是棒材內(nèi)外溫差增大，表面層金屬溫度低，收縮量大；心部金屬溫度高，收縮量小，棒材表面的冷縮受到尚處于高溫的心部的抑制，故表面層承受拉應(yīng)力，而心部則承受壓應(yīng)力。到了冷卻后期，表面層金屬的冷卻與收縮結(jié)束，心部金屬繼續(xù)冷卻并產(chǎn)生體積收縮，但心部的收縮受到表面層的牽制作用而受拉應(yīng)力，冷硬狀態(tài)的表面則由于心部收縮而受到壓應(yīng)力。當(dāng)整支棒材冷至室溫時(shí)，內(nèi)外溫差消失，冷卻后期的應(yīng)力狀態(tài)便殘余下來。因此，棒材最終表面受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力。

此外，因馬氏體轉(zhuǎn)變引起的殘余應(yīng)力正好與冷卻時(shí)的應(yīng)力相反，為表面受拉，心部受壓，如淬火時(shí)的組織應(yīng)力未在回火時(shí)完全消除，冷卻應(yīng)力與組織應(yīng)力相疊加，也有可能形成表面至心部先受壓、再受拉、再受壓的狀態(tài)。但不論何種分布狀態(tài)，這些拉應(yīng)力與壓應(yīng)力在棒材橫截面上是處于平衡狀態(tài)的[2]。由于熱應(yīng)力是在工件快速冷卻時(shí)其截面溫差造成的，因此冷卻速度越大，截面溫差越大，則熱應(yīng)力越大；反之，如冷卻速度越小，截面溫差越小，則熱應(yīng)力越小。

2.3.2 試驗(yàn)方法

為了進(jìn)一步驗(yàn)證棒材的應(yīng)力分布狀態(tài)，采用破壞法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

取兩支輥底式連續(xù)調(diào)質(zhì)線生產(chǎn)的Φ60 mm×800 mm的調(diào)質(zhì)棒材，將兩支棒材一側(cè)沿軸向銑去約15 mm厚度,1#棒材采用回火后空冷、2#棒材采用回火后水冷。

測(cè)試結(jié)果顯示1#棒料基本沒有變形，而2#棒料明顯向未加工一側(cè)拱起，采用直尺測(cè)量，撓度達(dá)到了近3 mm。這說明棒材表面有較大的殘余壓應(yīng)力。與X射線衍射殘余應(yīng)力分析儀所得出的結(jié)果一致。

2.3.3 試驗(yàn)分析

在棒材表面進(jìn)行的破壞，使整個(gè)橫截面應(yīng)力平衡被破壞，另一側(cè)的表面應(yīng)力會(huì)得到釋放，如果原來棒材表面受拉應(yīng)力，晶格處于拉長狀態(tài)，應(yīng)力釋放后原子間距減少，導(dǎo)致棒材未加工一側(cè)整體長度變短，則該側(cè)會(huì)向內(nèi)彎曲。反之，如棒材表面受壓應(yīng)力，晶格處于壓縮狀態(tài)，應(yīng)力釋放后原子間距增加，會(huì)導(dǎo)致該側(cè)整體長度變長，從而呈拱起狀態(tài)。

綜上所述，采用緩慢冷卻方式(如空冷)，有助于減少熱應(yīng)力的生成。

3 結(jié) 論

(1)回火出爐后采用水冷方式的棒材表面會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力導(dǎo)致的殘余壓應(yīng)力，而采用回火空冷方式的棒材表面殘余應(yīng)力相對(duì)小得多；

(2)回火后的棒材在去應(yīng)力結(jié)束后，如采用水冷方式冷卻，仍然會(huì)在表面形成殘余壓應(yīng)力；

(3)因棒材表面的殘余壓應(yīng)力與內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力相互抵消，呈平衡狀態(tài)，棒材不會(huì)變形；但當(dāng)一側(cè)加工量較多而另一側(cè)加工量較少時(shí)，棒材會(huì)向加工量較少一側(cè)拱起，造成零件變形。

[1] 羅玉梅，任鳳章.X射線法測(cè)量多晶材料殘余應(yīng)力[J].材料導(dǎo)報(bào)， 2014.6，28 (6), 112—114.

[2] George E Totten. Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies [M]. CRC Press, 2006.

2015-07-24

冀 鸰(1978—)，男，博士，高級(jí)工程師。電話：15961618632；E-mail:jiling@cp-ssteel.com

TG156.6